Programmer, régler et utiliser les équipements CNC et d'électroérosion

Introduction au contrôle numérique et à l'électroérosion

Le Tool and Die Maker (outilleur-ajusteur) moderne doit maîtriser deux familles de machines à commande numérique : les centres d'usinage CNC (Computer Numerical Control) et les machines d'électroérosion (EDM – Electrical Discharge Machining). Ces équipements permettent d'atteindre des tolérances de l'ordre de ±0,005 mm et des états de surface de 0,2 µm Ra, impossibles à obtenir en usinage conventionnel.

La norme de référence pour les machines-outils au Canada est la CSA B149.1 (Code canadien de l'électricité, Chapitre V) pour les aspects électriques, et les normes ISO 6983 (codes G et M) pour la programmation. Le Red Seal exige une compréhension approfondie des principes de fonctionnement, des paramètres de coupe, des cycles fixes et des procédures de réglage.

Principes fondamentaux des machines CNC

Systèmes de coordonnées et axes

Une machine CNC utilise un système de coordonnées cartésiennes. Les axes principaux sont :

X : axe horizontal (généralement longitudinal)

Y : axe horizontal (transversal)

Z : axe vertical (broche)

A, B, C : axes rotatifs autour de X, Y, Z respectivement

Le point de référence machine (home position) est le point d'origine absolu de la machine, généralement détecté par des interrupteurs de fin de course ou des encodeurs. Le point de référence pièce (work zero) est défini par l'opérateur à l'aide d'un palpeur, d'un comparateur ou d'un système de préréglage.

Règle essentielle : le décalage d'origine (G54 à G59) doit être vérifié avant chaque opération. Une erreur de 0,01 mm sur le décalage peut entraîner la mise au rebut d'une pièce de précision.

Types de machines CNC en outillage

Type de machine	Axes	Applications typiques	Précision typique
Centre d'usinage vertical (VMC)	3 à 5 axes	Matrices, poinçons, plaques	±0,005 mm
Centre d'usinage horizontal (HMC)	4 à 5 axes	Moules complexes, pièces prismatiques	±0,008 mm
Tour CNC	2 à 3 axes	Éjecteurs, noyaux cylindriques	±0,005 mm
Machine de rectification CNC	3 axes	Surfaces de coupe, poinçons rectifiés	±0,002 mm
Machine EDM à fil	4 à 5 axes	Découpes de précision, formes complexes	±0,003 mm
Machine EDM à enfonçage	3 axes	Cavités de moules, formes internes	±0,005 mm

Programmation CNC : codes G et M

Structure d'un programme

Un programme CNC suit la norme ISO 6983 (anciennement RS-274D). Chaque bloc (ligne) contient des adresses suivies de valeurs numériques. La structure typique :

O0001 (PROGRAMME NUMERO 1)

N10 G90 G21 G17 G40 G49 G80

N20 G54

N30 M06 T01 (CHANGEMENT D'OUTIL)

N40 S1200 M03

N50 G43 H01 Z50.0

N60 G00 X0 Y0

N70 G01 Z-5.0 F100

...

N100 M30

Codes G essentiels pour l'outilleur

Code	Fonction	Détails et pièges
G00	Positionnement rapide	Ne pas couper en G00 ; trajectoire non linéaire
G01	Interpolation linéaire	Vitesse d'avance F en mm/min
G02/G03	Interpolation circulaire (CW/CCW)	Nécessite I, J, K ou R ; vérifier le sens
G17/G18/G19	Plan XY/XZ/YZ	G17 est le défaut ; changer pour l'usinage hélicoïdal
G20/G21	Pouces/millimètres	Erreur fréquente : oublier G21 en début de programme
G28	Retour au point de référence	Toujours lever l'outil avant G28
G40/G41/G42	Compensation de rayon d'outil	G41 = gauche, G42 = droite ; vérifier le sens de coupe
G43/G44	Compensation de longueur d'outil	G43 = positive, G44 = négative ; utiliser H
G54-G59	Décalages d'origine pièce	Vérifier que le bon décalage est actif
G73/G83	Cycle de perçage (brise-copeaux/plein)	G83 avec Q = profondeur par passe
G76	Cycle de taraudage rigide	Nécessite un mandrin à compression
G80	Annulation de cycle fixe	Toujours annuler avant un nouveau positionnement
G90/G91	Positionnement absolu/incrémental	G90 est le défaut ; G91 pour les répétitions
G94/G95	Avance mm/min ou mm/tour	G95 pour le filetage

Codes M essentiels

Code	Fonction	Remarques
M00	Arrêt programmé	Reprise manuelle nécessaire
M01	Arrêt optionnel	Actif si l'interrupteur est enfoncé
M02	Fin de programme	Ne rembobine pas
M03/M04	Broche sens horaire/antihoraire	M04 pour les outils à gauche
M05	Arrêt broche
M06	Changement d'outil	Attendre l'arrêt complet de la broche
M08/M09	Arrosage ON/OFF	Vérifier la pression avant usinage
M30	Fin de programme avec rembobinage	Retour au début du programme
M98/M99	Appel de sous-programme/retour	Utiliser pour les répétitions

Calculs de coupe pour CNC

La vitesse de coupe (Vc) en m/min se calcule :

Vc = (π × D × N) / 1000

Où :

D = diamètre de l'outil ou de la pièce (mm)

N = vitesse de rotation (tr/min)

Pour trouver la vitesse de rotation :

N = (Vc × 1000) / (π × D)

Exemple : Fraise de 10 mm en acier à outils (Vc = 25 m/min) :

N = (25 × 1000) / (π × 10) = 25000 / 31,42 = 796 tr/min

La vitesse d'avance (F) en mm/min :

F = N × fz × Z

Où :

fz = avance par dent (mm/dent)

Z = nombre de dents

Exemple : Fraise 2 dents, fz = 0,05 mm/dent, N = 796 tr/min :

F = 796 × 0,05 × 2 = 79,6 mm/min

Compensation de rayon d'outil

La compensation de rayon (G41/G42) est obligatoire pour l'usinage de contours précis. Le rayon de compensation D est entré dans le tableau d'offsets. La trajectoire programmée est celle du profil théorique ; la machine décale l'outil du rayon D perpendiculairement à la trajectoire.

Règles de compensation :

53.Activer la compensation sur une ligne droite avant le contour (mouvement d'approche)

54.Désactiver sur une ligne droite après le contour (mouvement de sortie)

55.Le rayon de compensation doit être inférieur au rayon de courbure minimal du profil

56.Vérifier que le sens de compensation correspond au sens de coupe (fraise à droite = G42)

Piège classique : si le rayon de compensation est trop grand pour le rayon de courbure du profil, la machine génère une alarme (interférence de compensation). La solution est de réduire le rayon D ou de modifier le programme.

Électroérosion (EDM)

Principes physiques

L'électroérosion utilise des décharges électriques contrôlées pour enlever de la matière. Le principe repose sur :

61.Diélectrique : fluide isolant (huile ou eau déminéralisée) qui remplit l'intervalle entre l'électrode et la pièce

62.Décharge : une tension de 80 à 300 V est appliquée ; le diélectrique s'ionise, créant un canal de plasma

63.Érosion : la température locale atteint 8000 à 12000 °C, vaporisant une micro-particule de matière

64.Flush : le diélectrique évacue les particules érodées

La fréquence des décharges varie de 1 kHz à 500 kHz selon la finition recherchée. La capacité (condensateur) contrôle l'énergie de chaque décharge.

Paramètres EDM critiques

Paramètre	Symbole	Effet sur l'usinage
Intensité (courant)	I (A)	Taux d'enlèvement et rugosité
Durée d'impulsion	Ton (µs)	Profondeur de cratère
Durée de pause	Toff (µs)	Évacuation des particules
Tension	U (V)	Distance d'étincelle
Fréquence	f (Hz)	Finition de surface
Capacité	C (µF)	Énergie par décharge

Relation fondamentale : la rugosité de surface (Ra) est proportionnelle à l'énergie de décharge :

Ra ≈ K × (I × Ton)^(1/3)

Où K est une constante dépendant du matériau.

Types d'EDM

EDM à enfonçage (sinking EDM)

L'électrode (généralement en graphite ou en cuivre) est usinée à la forme négative de la cavité. L'électrode descend verticalement dans la pièce.

Applications :

Cavités de moules d'injection

Matrices d'emboutissage

Formes internes complexes

Angles internes aigus (impossibles en fraisage)

Électrodes :

Graphite : usinage rapide, bonne conductivité, mais fragile

Cuivre : meilleure finition, plus résistant, mais usinage plus lent

Cuivre-tungstène : pour les détails fins, très résistant à l'usure

Usure d'électrode : l'usure volumétrique typique est de 0,1 à 1 % du volume enlevé. Pour les finitions, l'usure peut atteindre 5 à 10 %.

EDM à fil (wire EDM)

Un fil de laiton ou de cuivre (diamètre 0,1 à 0,3 mm) traverse la pièce. Le fil est déroulé en continu et sert d'électrode.

Applications :

Découpe de plaques d'acier trempé

Profils complexes dans des matrices

Pièces de précision avec tolérances ±0,003 mm

Angles de dépouille (avec axes inclinables)

Paramètres spécifiques au fil :

Tension du fil (0,5 à 2 kg)

Vitesse de déroulement du fil (1 à 10 m/min)

Pression du diélectrique (eau déminéralisée)

Conductivité de l'eau (10 à 20 µS/cm)

Calculs pour EDM

Le temps d'usinage en EDM à enfonçage :

T = V / (MRR)

Où :

V = volume de matière à enlever (mm³)

MRR = taux d'enlèvement de matière (mm³/min)

Le taux d'enlèvement dépend de l'intensité :

MRR ≈ K × I

Où K ≈ 0,5 à 2 mm³/min/A selon le matériau et la configuration.

Exemple : Cavité de 20 × 15 × 10 mm dans de l'acier trempé (K = 1,0 mm³/min/A) avec I = 10 A :

V = 20 × 15 × 10 = 3000 mm³

MRR = 1,0 × 10 = 10 mm³/min

T = 3000 / 10 = 300 min = 5 heures

Piège : ce calcul ignore le temps de finition (qui est plus lent) et le temps de flush. Le temps réel est généralement 1,5 à 2 fois supérieur.

Procédures de réglage et d'opération

Préparation de la machine

112.Vérification de la machine : niveaux d'huile, pression hydraulique, état des guides

113.Montage de la pièce : étau, mandrin, brides, ou système de fixation modulaire

114.Alignement de la pièce : utiliser un comparateur à cadran ou un palpeur électronique

115.Prise d'origine : définir G54 à partir des surfaces de référence

116.Montage de l'outil : vérifier le serrage, la longueur, le rayon

117.Essai à vide : exécuter le programme en mode "dry run" avec l'outil levé

Prise d'origine (work offset)

La précision de la prise d'origine détermine la précision de la pièce. Méthodes :

Méthode	Précision	Temps	Risque
Comparateur à cadran	±0,01 mm	5-10 min	Faible
Palpeur électronique	±0,002 mm	2-3 min	Faible
Contact manuel (papier)	±0,05 mm	1 min	Élevé
Système de préréglage laser	±0,001 mm	30 s	Faible

Procédure recommandée :

122.Fixer le palpeur dans la broche

123.Positionner le palpeur près de la surface à mesurer

124.Approcher lentement (vitesse de palpage : 50-100 mm/min)

125.Enregistrer la position dans le décalage G54

126.Répéter pour les autres axes

127.Vérifier en mesurant une dimension connue

Vérification du programme

Avant de lancer une production, l'opérateur doit :

130.Simulation graphique : vérifier les trajectoires sur l'écran

131.Dry run : exécuter avec l'outil levé (Z = 50 mm au-dessus)

132.Première pièce : usiner avec des passes de finition réduites

133.Mesure : contrôler les dimensions critiques avec un micromètre ou une MMT

134.Ajustement : modifier les offsets de compensation si nécessaire

Sécurité et normes

Sécurité CNC

Protecteurs de machine : ne jamais les retirer pendant le fonctionnement

Arrêt d'urgence : connaître l'emplacement et le fonctionnement

Verrouillage : suivre la procédure de cadenassage (lockout/tagout) conformément à la CSA Z460 (Lockout)

Équipement de protection individuelle : lunettes de sécurité, chaussures de sécurité, protection auditive

Sécurité EDM

Risque électrique : les machines EDM fonctionnent à haute tension (jusqu'à 300 V)

Risque d'incendie : le diélectrique à base d'huile est inflammable ; respecter les distances de sécurité

Fumées : l'électroérosion produit des fumées toxiques ; utiliser une ventilation adéquate

Noyade : ne jamais plonger les mains dans le réservoir de diélectrique pendant le fonctionnement

Normes canadiennes applicables

Norme	Application
CSA B149.1	Code canadien de l'électricité, Chapitre V – installations électriques
CSA Z460	Cadenassage et contrôle des énergies dangereuses
CSA Z432	Protection des machines
ISO 6983	Programmation CNC (codes G et M)
ISO 230	Essais de précision des machines-outils

Dépannage et résolution de problèmes

Problèmes CNC courants

Symptôme	Cause probable	Solution
Surface rugueuse	Vitesse de coupe trop élevée	Réduire N ou augmenter F
Bruit anormal	Avance trop élevée	Réduire F ou augmenter N
Dimension hors tolérance	Décalage d'origine incorrect	Vérifier G54 et compensations
Usure rapide de l'outil	Vitesse trop élevée ou arrosage insuffisant	Réduire Vc, vérifier M08
Alarmes de surcharge	Profondeur de coupe excessive	Réduire la profondeur ou le nombre de passes
Trajectoire incorrecte	Compensation de rayon mal réglée	Vérifier G41/G42 et D

Problèmes EDM courants

Symptôme	Cause probable	Solution
Électrode fondue	Intensité trop élevée ou flush insuffisant	Réduire I, augmenter Toff
Surface brûlée	Diélectrique sale	Changer le filtre, purger le réservoir
Vitesse d'usinage lente	Conductivité de l'eau incorrecte	Ajuster la conductivité (10-20 µS/cm)
Fil cassé (wire EDM)	Tension du fil trop élevée ou vitesse trop lente	Réduire la tension, augmenter la vitesse
Déformation de la pièce	Contraintes internes	Usiner par passes successives, prévoir des supports

Optimisation des paramètres

Stratégies d'usinage CNC

Pour l'usinage de l'acier à outils trempé (45-60 HRC) :

Opération	Vc (m/min)	fz (mm/dent)	Profondeur (mm)	Arrosage
Ébauche (fraise carbure)	60-80	0,05-0,10	0,5-1,0	Abondant
Semi-finition	80-100	0,03-0,05	0,2-0,5	Abondant
Finition	100-120	0,01-0,03	0,05-0,2	Abondant
Superfinition	120-150	0,005-0,01	0,01-0,05	Abondant

Règle d'or : pour les finitions, la profondeur de coupe doit être au moins égale au rayon de l'outil pour éviter le frottement.

Stratégies EDM

Opération	Intensité (A)	Ton (µs)	Toff (µs)	Ra résultant (µm)
Ébauche	20-50	100-300	30-100	10-20
Semi-finition	5-15	20-50	10-30	3-8
Finition	1-5	5-20	5-15	1-3
Superfinition	0,1-1	1-5	2-10	0,2-1

Principe : toujours commencer par l'ébauche avec une intensité élevée, puis réduire progressivement pour la finition. Chaque passe de finition enlève environ 0,1 à 0,2 mm de matière.

Exam Tips et stratégies de réponse

Questions types du Red Seal

163.Calcul de vitesse de coupe : savoir utiliser la formule Vc = (π × D × N) / 1000

164.Choix des paramètres : savoir sélectionner les paramètres adaptés au matériau et à l'opération

165.Identification des codes : reconnaître les codes G et M et leur fonction

166.Sécurité : connaître les normes CSA et les procédures de cadenassage

167.Dépannage : identifier les causes des défauts de surface et de dimension

Méthode de résolution des problèmes

Pour les questions de calcul, suivre cette méthode :

170.Identifier les données : noter toutes les valeurs données

171.Choisir la formule : déterminer quelle formule est applicable

172.Vérifier les unités : tout convertir en mm et en minutes

173.Calculer étape par étape : ne pas sauter d'étapes

174.Vérifier le résultat : est-il plausible ? (une vitesse de 10000 tr/min pour une fraise de 10 mm est improbable)

Pièges fréquents dans les examens

Confusion entre G02 et G03 : G02 = horaire, G03 = antihoraire (vu de l'axe positif)

Oubli de la conversion d'unités : les formules utilisent le mm, pas le mètre

Confusion entre avance par dent et avance par tour : F = N × fz × Z (pas F = N × fz)

Ignorer le nombre de dents : une fraise 4 dents avance 2 fois plus vite qu'une fraise 2 dents

Confusion entre G54 et G28 : G54 = décalage pièce, G28 = retour machine

Résumé

CNC : maîtriser les codes G et M, les calculs de vitesse et d'avance, la compensation de rayon, et les procédures de prise d'origine

EDM : comprendre les principes de décharge électrique, les paramètres (I, Ton, Toff), et les différences entre enfonçage et fil

Calculs : Vc = (π × D × N) / 1000, F = N × fz × Z, MRR ≈ K × I

Sécurité : respecter la CSA B149.1, la CSA Z460 (cadenassage), et la CSA Z432 (protection des machines)

Précision : les tolérances typiques sont ±0,005 mm en CNC et ±0,003 mm en EDM

Dépannage : savoir identifier et corriger les problèmes courants de surface, de dimension et de fonctionnement

Pièges à éviter

189.Ne pas vérifier le décalage d'origine avant l'usinage – c'est la cause n°1 de pièces hors tolérance

190.Oublier G21 (millimètres) en début de programme – une pièce programmée en pouces mais usinée en mm est détruite

191.Utiliser G00 pour couper – le positionnement rapide n'est pas linéaire et peut casser l'outil

192.Négliger la compensation de rayon pour les contours précis – sans G41/G42, le profil est décalé du rayon de l'outil

193.Choisir une intensité EDM trop élevée pour la finition – la rugosité augmente avec l'énergie de décharge

194.Ignorer l'usure de l'électrode en EDM – l'usure volumétrique peut atteindre 10 % en finition

195.Ne pas vérifier la conductivité de l'eau en wire EDM – une conductivité incorrecte affecte la vitesse et la qualité

196.Oublier d'annuler les cycles fixes (G80) – un cycle fixe non annulé peut percer un trou non désiré

197.Confondre la vitesse de coupe (Vc) et la vitesse de rotation (N) – Vc est en m/min, N en tr/min

198.Ne pas faire d'essai à vide avant la première pièce – un programme incorrect peut endommager la machine ou la pièce

199.Utiliser un arrosage insuffisant pour l'usinage de l'acier trempé – la chaleur excessive détruit le carbure

200.Ne pas respecter les procédures de cadenassage – une machine en maintenance peut démarrer pendant l'intervention

Programmer, régler et utiliser les équipements CNC et d'électroérosion